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美國(guó)MTS磁致伸縮位移傳感器研制
磁致伸縮位移傳感是利用磁致伸縮效應(yīng)研制的傳感器。該傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸、式測(cè)量，具有高精度、大量程的特點(diǎn)，特別是由于磁鐵和傳感器并無(wú)直接接觸，因此傳感器可應(yīng)用在惡劣的工業(yè)環(huán)境，如易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的場(chǎng)合。此外，傳感器能承受高溫高壓和高振蕩的環(huán)境。傳感器輸出信號(hào)為數(shù)值，所以即使電源中斷重接也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)收構(gòu)成問(wèn)題，更無(wú)尖重新調(diào)整零位。由于傳感器組件都是非接觸的，所以即使測(cè)量過(guò)程理不斷重復(fù)的，也不會(huì)對(duì)傳感器造成任何磨損。
研制中涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：
（1）大電流周期激發(fā)電路的設(shè)計(jì)；
（2）微弱信號(hào)的檢測(cè)、信號(hào)的濾波、放大、電壓比較、峰值檢驗(yàn)波、電壓限幅等一系列電路的設(shè)計(jì)；
（3）基于單片機(jī)的高精度時(shí)間量測(cè)量。技術(shù)要求：測(cè)量范圍0～8cm，精度0.1mm。測(cè)量范圍不是很大，主要是受到實(shí)驗(yàn)所用波導(dǎo)鋼絲本身長(zhǎng)度的限制。
美國(guó)MTS磁致伸縮位移傳感器的原理
磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器，
。除位置磁鐵外，所有其他元器件都安裝在傳感器殼體內(nèi)，
組成傳感器的主體。位置磁鐵通常裝在一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件A上，
而傳感器主體則裝在一個(gè)固定的部件B上。
傳感器工作時(shí)，電子信號(hào)和處理系統(tǒng)發(fā)給磁致波導(dǎo)鋼絲間隔為T(mén)的激勵(lì)脈沖電流ie該脈沖電流將產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導(dǎo)鋼絲的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。位置磁鐵也產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)。根據(jù)Widemanm效應(yīng)，金屬隨其瞬間變形產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，使波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，即形成一個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波。磁致旋轉(zhuǎn)波的傳播速度為
式中：G為波導(dǎo)管的剪切彈性模量；ρ為波導(dǎo)管密度。
由于G和ρ均為恒定（對(duì)于一定的波導(dǎo)管來(lái)說(shuō)）的，所以傳播速度也恒定。經(jīng)過(guò)計(jì)算該旋轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)鋼絲以2 800 m/s的速度向兩邊傳播。當(dāng)它傳到波導(dǎo)鋼絲一端的波檢測(cè)器時(shí)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)ua·通過(guò)測(cè)量磁致旋轉(zhuǎn)波從位置磁鐵傳到波檢測(cè)器的時(shí)間tL就能確定位置磁鐵和波檢測(cè)器之間的距離。這樣，當(dāng)部件A和B產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器就可以確定部件A的位置和速度。
在波導(dǎo)鋼絲的另一端，磁致旋轉(zhuǎn)波將通過(guò)減波元件被大大削弱，以避免反射的波形對(duì)測(cè)量精度造成影響。波反射器是用于改善電信號(hào)ua的波形和加強(qiáng)電信號(hào)的大小。
美國(guó)MTS磁致伸縮位移傳感器的結(jié)構(gòu)
根據(jù)這個(gè)原理，設(shè)計(jì)了總體的電子信號(hào)系統(tǒng)方案來(lái)檢測(cè)這個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波并送人到MCS51微型計(jì)算機(jī)處理。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)如圖2所示。
(1)產(chǎn)生一個(gè)周期激勵(lì)脈沖電流，該脈沖輸入波導(dǎo)鋼絲，以便圍繞波導(dǎo)鋼絲形成一個(gè)周期脈沖磁場(chǎng)。該脈沖的周期和寬度應(yīng)通過(guò)微處理器編程來(lái)調(diào)節(jié)。為了獲得較強(qiáng)的脈沖磁場(chǎng)，激勵(lì)脈沖應(yīng)具有足夠的能量，即足夠的電流。
3傳感器性能指標(biāo)測(cè)試及結(jié)果
為了給傳感器系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，搭建了測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)由傳感器主體、位置磁鐵、螺旋測(cè)微器、印制電路板、LCD、FDPS-50BA型電源（輸人220V，輸出±15V,5 V)組成。
在搭建的平臺(tái)上面對(duì)傳感器的性能進(jìn)行測(cè)量，主要包括傳感器的線性度，遲滯和重復(fù)性。
3.1 傳感器線性度
測(cè)量：在傳感器測(cè)量整個(gè)0～80mm范圍內(nèi)，旋動(dòng)螺旋測(cè)微器分別每隔5mm記一組數(shù)據(jù)，位置磁鐵相應(yīng)移動(dòng)，連續(xù)取測(cè)量數(shù)據(jù)20組，如圖3。
線性度的指標(biāo)公式為
式中：el為非線性誤差（線性度）；△max為zui大非線性誤差；YFS為輸出滿量程。
從圖3可知，采用zui小二乘法擬合直線的斜率為0.992，直線方程為Y = 0.15784+0. 992X，因此在0~80 mm范圍內(nèi)的線性度為0.387%。
3.2 傳感器遲滯
將螺旋測(cè)微器在傳感器的正反兩個(gè)方向量程內(nèi)來(lái)回移動(dòng)，測(cè)量范圍為0～80mm，測(cè)到的數(shù)據(jù)如圖4。其中有正向測(cè)量和反向測(cè)量數(shù)值（每隔5mm測(cè)量1次），以及正反方向測(cè)量的差值△H。
由遲滯誤差公式
式中△Hmax為正反行程輸出zui大差值。
從圖4知，△Hmax=0.41，而rH=0.256%。
3.3 傳感器重復(fù)性
圖5是傳感器在正行程和反行程測(cè)量各測(cè)2次的數(shù)據(jù)，其中還計(jì)算了重復(fù)性偏差。根據(jù)式（2）可計(jì)算出0～80mm滿量程的重復(fù)性誤差指標(biāo)el=±0.287%.。
3.4 傳感器其他靜態(tài)特性
3.4.1 傳感器的分辨力
經(jīng)過(guò)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試，移動(dòng)螺旋測(cè)微器±0.056mm，傳感器LCD顯示值改變±0.056mm。
3.4.2 穩(wěn)定性
在測(cè)試時(shí)，將傳感器設(shè)定在一固定點(diǎn)，然后分別在4h讀取數(shù)據(jù)1次，測(cè)得值分別為31.62 mm, 31.56 mm, 31.56nm, 31.62mm。穩(wěn)定性誤差為0.06mm。傳感器通、斷電幾次后在此位置讀數(shù)，仍舊為31.62，驗(yàn)證了磁致伸縮傳感器不受掉電影響。
溫度穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟茸兓螺敵隽堪l(fā)生的變化。測(cè)量傳感器溫度穩(wěn)定性時(shí)，分別在房間溫度為15℃和室外溫度為1℃測(cè)量，讀數(shù)變化為0.06 m，即溫度穩(wěn)定性誤差為0.06 mm。
3.4.3 測(cè)試系統(tǒng)靈敏度
移動(dòng)螺旋測(cè)微器0.05mm，測(cè)到傳感器LCD屏上變化0.056mm，此測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度為1.12。
綜上，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳感器的靜態(tài)特性，可知傳感器的線性度為0.387%，遲滯誤差為0.256%，重復(fù)性誤差為±0.287%,分辨力為0.056mm。磁致伸縮位移傳感器的自身精度很高，理論可以達(dá)到μm級(jí)，實(shí)際分辨力只有0.056mm。
